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[桥梁会客厅] 桩基计算理论滞后的局面应该改变 [复制链接]

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lansebeiai 发表于 2010-11-30 10:54:46 |显示全部楼层 |          |
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桩基计算理论滞后的局面应该改变
; S& H& z: }4 |) e! C; X/ @
文/李靖森      

       桩基础是人们最为广泛使用的深基础类型。改革开放三十年来,我国大跨度大荷载的桥梁工程发展之快世界瞩目,与其相应的桩基础工程,桩的长度也设计得越来越长,超百米的已不再是少数。

0 U4 o2 P' V8 s- x: O" I  v2 U

      值得关注的是,这些长桩基础的设计,主要的依据是我国现行桥涵基础规范。而规范有关钻孔桩受压工作的理念以及相应的桩基承载力计算公式和参数,基本上还是1975年在105根试桩的基础上得来的研究成果。而当时这些试桩长度一般都在20m以内,个别最深者47m;绝大部分直径也只在0.5~0.8m之间,超过1.0m者还不到10﹪。

. V- T( i% G' w

      根据这些桩的试验,拟定的钻孔桩极限承载力的模型,即极限承载力P等于桩周极限摩阻力A与桩底持力层极限承载力B之简单的代数和:

5 j, i% z0 ~1 P6 M4 M' W+ M

                   P=A+B                                                              (1)
+ y4 N. k) {9 t1 b0 F: @      该式表明,不仅桩侧摩阻力充分发挥出来了,而且持力层也能够无条件地提供100%的支持。规范公式的实质,是假设桩为刚性杆件【1】,忽略桩的弹性变形。 按此理念,人们为寻找好的持力层或获得较多的摩阻力,桥界也就必然地出现了所谓的“超长桩”现象。; r/ ^) p2 G! K" N7 |4 f: Q
      同时,规范的极限承载力模型 (1) 与桩顶沉降不协调,甚至回避沉降这一至关重要的敏感问题。设计者依据公式(1)计算出极限承载力,却不知晓与该承载力相对应的沉降究竟是多少。 4 ~' r( U0 b  Y. S, |3 v  J0 B
      桥梁界的人们,应该以严谨的、实事求是的、只争朝夕的态度来重视近些年来大量长桩抗压实验的成果。试验表明,桩侧土层极限摩阻力的发挥,是由上层土往下层土逐渐发展;各层土摩阻力的发挥,又与桩的弹性变形和持力层的压缩变形密切相关,即与桩的沉降量密切相关;而持力层承载力的发挥也离不开其变形这一不可缺的条件。客观事实进一步揭示了当今规范之缺陷,不应熟视无睹。8 P" E( T' L. @% Y( N2 v
      实践是检验真理的标准。大量长桩试验都反映出,不仅下部土层的侧阻力没能充分发挥出来,就是持力层的承载力也没能充分发挥,甚至是零发挥。
) H7 q. ?( U0 h2 e6 X0 ?      例如湖南大学在洞庭湖区的抗压桩试验(详见【2】 )。试验桩d=1.0m,L=60m,C30,E=3.47×107kPa;实测桩底沉渣50mm。试验证实,当最大稳定荷载达到16720kN时,桩顶沉降达35.31mm,而这时桩在深度47m左右时,轴力仍然为0。6 T/ p, Q5 D$ ~
      又如浙江大学在某软土地区的试验桩(详见【2】 )。该桩长L=50,d=0.8m,E=2.8×107kPa 。经测试,其极限荷载为5400kN,而这时的持力层承担了483.262kN,仅占8.9%。
" ]" i5 k" E4 @      这两个试验都测出了极限承载力,且都证实不仅桩侧摩阻力没能充分发挥,持力层的承载力也同样没充分发挥。前者是零发挥,后者也发挥得不多。7 y; A5 M! C" g$ Q4 l6 P
      实质上,持力层的贡献主要是通过与弹性桩这一“载体”串联后反映到桩顶,而串联结构必将减弱其支持【1】 。想要持力层充分发挥其功能,必须迫使其发生一定的变形来换取,而这时的桩顶沉降量,往往是上部结构难以承受的。若不认识这个物理现象,就误导了设计者。其后果是不安全,特别是对当代的长桩设计。
+ V; o" l# p* U% H9 A      大量长桩抗压实验也证明了,在桩材、直径和土质一定的条件下,在弹性范围,桩存在一个与荷载无关的 “有效深度”值,超过此深度的桩长和持力层,对桩的抗压功能将没有贡献。因此可以用“有效深度”作为界定“超长桩”的标准【2】 ,以表明超出部分在理论上没有作用。在上述两所大学的试验中,经计算,前者的有效桩长为43~44m小于该桩长(60m),故为超长桩,长出了约16m,试验证实在47m深处轴力为零;而后者的有效桩长为70~71m,大于该桩长(50m),说明这根试验桩没有超长。7 J! x: T$ |: r  _- W
      下面仅列出近些年来我国桥梁工程中大于70m长桩的不完全统计。他们主要的设计依据还是规范及其理念。9 K! \8 ^3 H1 \* }% }) k

& e& c- f# C" P. ^1 g
      由表列可知,在当今的桥梁基础工程中,长桩基础发展迅猛,而使用的设计理论仍停留在上世纪七十年代的水平,远远滞后于工程实践。没有科学的理论引导,一味的把桩加长,将导致两种后果:一方面是造成浪费,消耗人力、物力和天然资源,不符合低碳经济的国策;另方面是不安全。不仅在承载力方面不安全,同时也加大了施工和质量的风险程度。
% d  f8 E8 x6 v( {6 H0 V      毫无疑问,这些约五十六座桥的长桩基础,都是我国桩基工程实践的宝贵财富。那么按照新的理念来重新认识,其中有没有“超长桩”?他们的承载力和沉降究竟多大?这些桥梁墩台在运营多年后,物理力学现象究竟如何?为使桩基工程科学发展,桥梁界应该对已有工程的应用情况进行调查研究,这是工程管理的需要,也是桩基发展的需要。
) ^. K2 P6 p( C      对于当前桩基的现状,提请桥界关注的是:% ?5 Y& V" F5 n; \3 M
      1.有关设计院所,应拨出力量,有目标地投入实用型的设计计算理论研究,科学地引导桩基设计。
" u+ O, l6 Q$ o; i      2.坚持桩基承载力与变形相协调的科学理念,因为试验证实它符合抗压桩的工作机理。桩基设计规范应与时俱进,按此理念进行更新换代。& P' H  V6 R3 c9 z$ b9 F
      3.“有效桩长”可以纳入规范,作为桩基设计的一项实用参数供参考。) A& k0 C" L2 K$ k! k0 X; ^+ O0 m4 d
      4.近些年来提出的“桩的抗压刚度结构” 【3】 ,揭示了桩、桩侧土和持力层三者共同工作的内在协调关系 ;它也是简明、直观、形象地解读抗压桩工作机理的模型,并且得到荷载试验的验证。依据“桩的抗压刚度结构”的理念,已经初步形成了桩基设计计算方法的新体系——“集成刚度法” 【4】【5】 。它是一个力学概念明确、计算简单实用的计算方法,也为基桩工作的性状分析提供了简捷手段。
# l* c7 s7 L7 _, ?. ~      5.关于抗压桩工作机理及计算, 【6】也是桥界一篇桩基基础理论研究较为严谨、全面的论文和方法。其理念与集成刚度法一致且结果相符合。在理论上,也为更新规范提供了依据。
6 _; J6 _# E" s" [* p4 q参考资料
  d1 [! U; d% ]. O# S  \' B1. 李靖森.抗压桩机理解读——简评规范及自平衡法,《桥梁》2008.4." g, o1 A9 t* S( t( ~- o
2. 李靖森.超长桩到底有多长,《桥梁》2007.1./ X" Q" u& A* Y! T
3. 李靖森、王健、杨宇.桩的抗压刚度结构,《土木工程学报》2008.11.
" D) T% D9 F5 \2 j% D( W4 T+ b4. 李靖森、马晔、宋春霞.用集成抗压刚度计算基桩的新方法,《桥梁》2007.6! J2 S1 {9 |6 x4 o8 j! ^! }. Y% a" ?
5. 李靖森.集成刚度法在基桩计算中的应用,《公路》2008.8.
- F9 Q6 n8 g3 `. n4 S8 V3 A6. 王伯惠.承压桩压力——变形机理及计算,《全国桥梁学术会议论文集》2009.
! f) X% Z5 V, Q% g0 |: m" i(作者单位:北京建筑工程学院)
' t! V: i, t- h7 F! n7 `% g5 U, p* a
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路小佳 发表于 2010-11-30 20:53:05 |显示全部楼层
感觉应该每几年就修订一下规范,规范采用的公式都要依据最新而且可靠的实验数据才行,就像85规范采用不久,就一直有人呼吁冲击系数的计算方法不合理,好多学者作了相关的实验研究和理论分析但是直到04规范才有所改变。从85到94年,隔得时间太长,这些年又是桥梁建设高峰期,规范中一个小小的修正,可能带来巨大的经济效益和安全性。; \. l0 [4 `3 T6 s5 G6 C
/ Q1 e% p. H: ]7 c

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Danny 发表于 2010-11-30 21:05:02 |显示全部楼层
中国很浮躁,不过幸好还有很多人在踏踏实实的工作,为社会做出贡献!我们桥梁人就是这样一些人。
; S0 F! J" e- _: K; \: h# D! p3 K- Z+ V7 v: M

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ccsghf 发表于 2011-1-13 19:41:27 |显示全部楼层
统一啊,现在桥梁规范中很多地方不合理啊. L$ y  V, L) ]$ y! j- m, X
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xiahuan12345 发表于 2013-1-7 23:10:54 |显示全部楼层
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xiahuan12345 发表于 2013-1-7 23:12:11 |显示全部楼层
一起顶起来!, T# r
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  n( A# {# _* z& @$ `]

[发帖际遇]: xiahuan12345发帖时在路边捡到金钱6,偷偷放进了口袋. (金钱+6)

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xiahuan12345 发表于 2013-1-7 23:13:51 |显示全部楼层
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( b  |9 B* ^2 x  ?) Xˊ

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maancai 发表于 2013-1-18 13:30:30 |显示全部楼层
因为不合理,我们还得加强研究!
$ x- b  u. S: D2 ]  g6 q2 E
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xiahuan12345 发表于 2013-1-29 01:30:28 |显示全部楼层
很感谢论坛5 W  M8 w. }( F$ f0 P  E1 U2 _

! B, y$ W  W5 f5 r7 Q; Uurl]

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